Pour que l'annihilation exciton-exciton se produise, deux excitons doivent interagir l'un avec l'autre. Ces interactions sont bien caractérisées pour les systèmes 1-D et 2-D. Dans un système 1-D, nous pouvons penser à des interactions excitons se produisant comme des écoliers parlant dans un bus. Par exemple, l'exciton 4 peut interagir avec ses voisins, exciton 3 ou 5, mais ne peut pas interagir avec les excitons 1 et 2 en raison de contraintes d'espace. Dans un système 2D, comme des écoliers dans une cour de récréation, exciton 4 peut maintenant se déplacer librement dans les deux dimensions, et peut interagir avec n'importe quel autre exciton, par exemple, exciton 2 ou 5. Les scientifiques visent à découvrir comment les interactions se produisent dans le phosphorène, un système quasi-1-D. Crédit :OIST
Depuis sa découverte en 2014, Le phosphorène, une feuille d'atomes de phosphore d'une épaisseur d'un seul atome, a intrigué les scientifiques en raison de son anisotropie optoélectronique unique. En d'autres termes, les électrons interagissent avec la lumière et se déplacent dans une seule direction. Cette anisotropie signifie qu'en dépit d'être bidimensionnel (2-D), le phosphorène présente un mélange de propriétés trouvées dans les matériaux unidimensionnels (1-D) et 2-D. Les scientifiques pensent que la nature quasi-1-D distincte du phosphorène pourrait être exploitée pour développer de nouveaux, dispositifs optoélectroniques innovants, des LED aux cellules solaires.
Maintenant, Des scientifiques de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) ont mis en lumière la façon dont les excitons, un état excité de la matière au cœur de l'optoélectronique, se déplacent et interagissent au sein du phosphorène.
"En raison de l'anisotropie, les excitons se comportent d'une manière vraiment unique dans le phosphorène par rapport aux autres matériaux 2D, que nous commençons à peine à comprendre, " a déclaré Vivek Pareek, doctorat étudiant et premier auteur de l'étude, Publié dans Lettres d'examen physique .
Les excitons se forment lorsqu'un matériau absorbe un photon, provoquant l'excitation d'un électron à un état d'énergie plus élevé. Cela laisse un "trou" chargé positivement où l'électron résidait dans son état d'énergie initial, qui est attiré par l'électron excité chargé négativement. La paire électron-trou liée résultante, l'exciton, peut alors se déplacer à travers le matériau et interagir avec d'autres excitons.
Mais les excitons sont de courte durée, et dans le temps, les électrons excités "retombent" dans les trous. Faire cela, les excitons peuvent soit émettre un photon - un processus appelé recombinaison radiative - soit entrer en collision les uns avec les autres, transfert de chaleur au matériau - une recombinaison non radiative appelée annihilation exciton-exciton.
"Interaction exciton-exciton, ou l'anéantissement, est très différent dans les systèmes 1-D et 2-D, " a expliqué Pareek. " Nous pouvons donc utiliser l'annihilation exciton-exciton comme outil pour sonder la nature des interactions dans le quasi-1-D phosphorène. "
A faible densité d'excitons, les interactions ne se produisent qu'en 1-D, le long de la direction favorable. A haute densité d'excitons, les interactions se produisent en 2-D, le long des deux directions. Crédit :OIST
Sonder le phosphorène
Les scientifiques ont utilisé un laser pour envoyer deux impulsions lumineuses au phosphorène, une impulsion de pompage pour exciter les électrons pour former des excitons, et une impulsion de sonde pour capturer l'annihilation exciton-exciton qui s'est produite pendant les cent premières picosecondes (billions de seconde). En modifiant la puissance de l'impulsion de la pompe, les chercheurs ont modifié la densité initiale des excitons formés.
L'équipe a découvert qu'à mesure que la densité d'excitons augmentait, l'annihilation exciton-exciton a changé de dimension, passer du 1-D au 2-D. Les chercheurs montrent que ce changement dimensionnel s'est produit en raison des propriétés anisotropes du phosphorène, qui surviennent en raison de la structure inhabituelle du matériau. Cette anisotropie fait que les excitons se déplacent plus rapidement dans une direction spécifique le long du réseau et se déplacent plus lentement dans l'autre direction. Par conséquent, aux faibles densités d'excitons, les interactions entre les excitons se sont produites principalement dans une seule dimension, le long de la direction la plus favorable. Mais lorsque la densité d'excitons a augmenté, résultant en des distances plus petites entre les excitons, les interactions ont commencé à se produire dans les deux dimensions.
Les scientifiques ont également exploré l'effet de la température sur l'annihilation exciton-exciton. Lorsque l'équipe a refroidi les flocons de phosphorène, l'annihilation exciton-exciton est passée de 2-D à 1-D, même à des densités d'excitons élevées.
"Cette étude montre que nous pouvons contrôler si l'annihilation exciton-exciton se produit dans une ou deux dimensions, selon les conditions que nous fixons, " a déclaré le Dr Julien Madéo, Scientifique de l'OIST et co-auteur de l'étude. "Cela révèle une nouvelle, propriété intéressante du phosphorène, améliorant ses perspectives en tant que nouveau matériau dans les dispositifs optoélectroniques."
